有源濾波器控制器的設(shè)計

3.3 控制器的高層保護與復位功能

一旦有源濾波器過流或者過壓，保護裝置動作將IGBT封鎖使有源濾波器處于封鎖狀態(tài)。此時控制器將根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和有源濾波器本身的狀態(tài)進行判斷，如果二者均恢復正常則控制器會選擇適當?shù)臅r機對有源濾波器進行復位，使其恢復到正常運行狀態(tài)[2]。

4 高精度脈沖發(fā)生器

過去基于單片機的脈寬調(diào)制的實現(xiàn)方案中，由于處理器的指令執(zhí)行時間較長，而難以保證脈沖精度，且受相位抖動的影響也較顯著[4]。數(shù)字信號處理器快速的運算能力使得我們有可能采用微處理器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高精度的脈沖發(fā)生器，該方法修改脈沖發(fā)生部分的程序即可產(chǎn)生各種類型的PWM脈沖，簡單靈活，有較好的通用性[5]。

4.1 變流器脈沖信號之間的關(guān)系

圖7(a)、7(b)是基于IGBT的單相橋電壓型逆變器的結(jié)構(gòu)圖和工作原理示意圖。假定圖中半導體開關(guān)為理想開關(guān)，則同一橋臂的兩個開關(guān)的導通與關(guān)斷是互補的（因為同一橋臂的兩個開關(guān)不能同時導通，否則將會因橋臂直通而導致直流電源短路）。假定上部開關(guān)（圖(a)中的SL和SR）導通而下部開關(guān)（圖(a)中的SL′和SR′）關(guān)斷時開關(guān)狀態(tài)為1，反之為0。如果任一時刻都有兩只管子導通，則單相橋IGBT開關(guān)狀態(tài)的可能組合只有10和01兩種，輸出電壓分別對應＋Ed和－Ed。

這樣，利用一個6位的狀態(tài)字即可表征三單相全橋逆變器的輸出電壓，如100110B表示此時輸出電壓為A相＋Ed，B相－Ed，C相＋Ed。

4.2 脈沖發(fā)生器軟、硬件體系結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用SPWM方式將載波與參考波的幅值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果確定輸出開關(guān)的狀態(tài)。本有源濾波器系統(tǒng)的設(shè)計目標是消除25次（1.25 kHz）以下的諧波，即參考波的最高頻率為1.25kHz。由采樣定理可知采樣頻率必須大于或等于原信號頻率的2倍才能保持原信號的全部信息，因此本系統(tǒng)中載波（三角波）的最低頻率應該是2.5 kHz?？紤]到提高調(diào)制波的頻率使功率元件的開關(guān)頻率提高，損耗變大，因而本系統(tǒng)中三角波的頻率采用2.5kHz。由于采用數(shù)字離散化方式比較載波和參考波，因而兩個信號的抽樣頻率越高誤差就越小?？紤]數(shù)字信號處理器的實時處理能力，本系統(tǒng)采用每隔0.3°比較一次的方法，即抽樣頻率為60 kHz。由于周期三角波頻率為2.5kHz，所以只需要24點幅值信息即可以滿足要求。在實際應用時，程序中構(gòu)造兩張表，一張為24點的調(diào)制三角波幅值表，另一張為參考波幅值表，即0°～360°之間間隔0.3°共1200點的參考波幅值，參考波幅值由另外一個控制芯片提供，通過雙口RAM提供本系統(tǒng)數(shù)字接口。

脈沖發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)如圖8。圖中的控制器由另外一個DSP芯片（TMS320C31）實現(xiàn)，輸出的控制變量為逆變器輸出電壓的參考值，兩個DSP芯片之間通過雙口RAM交換數(shù)據(jù)。同步信號發(fā)生電路完成對電網(wǎng)電壓信號的濾波和整形處理，在正弦信號的每個負向過零點產(chǎn)生向DSP申請外部中斷的窄脈沖。載波值表存儲于片內(nèi)RAM上，每個中斷周期進行刷新變址寄存器中的數(shù)值來更新當前所指表中數(shù)據(jù)的位置，以便和雙口RAM中的參考波的幅值進行比較。定時器0由外部同步脈沖觸發(fā)并將角度信息值轉(zhuǎn)化為相應的時鐘周期數(shù)加載到定時器1以及串口計數(shù)器的周期計數(shù)器中，用于觸發(fā)計數(shù)器1和串口中斷程序。

與硬件結(jié)構(gòu)相應的軟件結(jié)構(gòu)如圖9。系統(tǒng)初始化包括寫控制字、變量賦值、確定存儲地址等。在外部中斷服務程序中啟動定時器O，即執(zhí)行系統(tǒng)的主程序。以連續(xù)兩個負向過零點之間的時間間隔為周期計算出同步信號的頻率，并將其轉(zhuǎn)化為相應的時鐘周期數(shù)。定時器中斷程序主要用來保持觸發(fā)脈沖的同步和初始化查表用的變址寄存器，并保存上一次的角度信息。串口中斷程序用來比較參考波與調(diào)制波的幅值大小，每次用于比較的參考波為三相幅值，根據(jù)比較結(jié)果來確定發(fā)出的狀態(tài)字相應位是1還是0。由于主電路采用三單相橋結(jié)構(gòu)需要6路觸發(fā)脈沖，因此狀態(tài)字為6位，根據(jù)比較結(jié)果實時刷新狀態(tài)字，狀態(tài)字經(jīng)輸出鎖存器鎖存后即形成連續(xù)脈沖。

4.3 試驗結(jié)果

圖10為利用FLUKE 41B型諧波分析儀實測的調(diào)制波為基波正弦疊加11及13次諧波時的A相PWM脈沖的諧波分析圖，其中11及13次諧波的幅值均為基波幅值的1/4。

5 結(jié)論

本文利用了數(shù)字信號處理器運算速度快、計算精度高、定時準確的優(yōu)點設(shè)計了基于TMS320C31 DSP的脈沖發(fā)生器和控制器。詳細地介紹了有源濾波器控制器的特點、結(jié)構(gòu)、控制方法和主要功能以及脈沖發(fā)生器的設(shè)計、軟硬件結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場試驗結(jié)果?，F(xiàn)場試驗和數(shù)字仿真結(jié)果表明，脈沖發(fā)生器精度高、穩(wěn)定性好，控制器的性能符合設(shè)計要求。